L'image au microscope électronique à balayage montre quelques-unes des formes soigneusement conçues du verre de chalcogénure déposé sur un substrat transparent. Les formes, que les chercheurs appellent « les méta-atomes, « Déterminer la façon dont la lumière infrarouge moyenne est courbée lors du passage à travers le matériau. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Une nouvelle façon de prendre des images dans l'infrarouge moyen du spectre, développé par des chercheurs du MIT et d'ailleurs, pourrait permettre une grande variété d'applications, y compris l'imagerie thermique, détection biomédicale, et la communication en espace libre.
La bande de rayonnement électromagnétique dans l'infrarouge moyen (IR moyen) est une partie particulièrement utile du spectre ; il peut fournir une imagerie dans l'obscurité, tracer des signatures thermiques, et fournissent une détection sensible de nombreux signaux biomoléculaires et chimiques. Mais les systèmes optiques pour cette bande de fréquences ont été difficiles à réaliser, et les appareils qui les utilisent sont hautement spécialisés et coûteux. Maintenant, les chercheurs affirment avoir trouvé une approche hautement efficace et pouvant être fabriquée en série pour contrôler et détecter ces ondes.
Les résultats sont rapportés dans le journal Communication Nature , dans un article des chercheurs du MIT Tian Gu et Juejun Hu, Hualiang Zhang, chercheur à l'Université du Massachusetts à Lowell, et 13 autres au MIT, l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine, et l'Université normale de Chine orientale.
La nouvelle approche utilise un plat, matériau artificiel composé d'éléments optiques nanostructurés, au lieu de l'épaisseur habituelle, verres bombés utilisés en optique conventionnelle. Ces éléments fournissent des réponses électromagnétiques à la demande et sont fabriqués à l'aide de techniques similaires à celles utilisées pour les puces informatiques. "Ce type de métasurface peut être réalisé en utilisant des techniques de microfabrication standard, " dit Gu. " La fabrication est évolutive. "
Il ajoute qu'« il y a eu des démonstrations remarquables d'optique métasurface en lumière visible et proche infrarouge, mais dans l'infrarouge moyen, il se déplace lentement. » Au début de cette recherche, il dit, la question était, car ils pourraient rendre ces appareils extrêmement minces, « Pourrions-nous aussi les rendre efficaces et à faible coût ? C'est ce que les membres de l'équipe disent qu'ils ont maintenant réalisé.
Le nouveau dispositif utilise un ensemble d'éléments optiques à couche mince de forme précise appelés "méta-atomes" en alliage de chalcogénure, qui a un indice de réfraction élevé qui peut former de hautes performances, structures ultrafines appelées méta-atomes. Ces méta-atomes, avec des formes ressemblant à des lettres majuscules comme I ou H, sont déposés et modelés sur un substrat de fluorure transparent aux IR. Les formes minuscules ont des épaisseurs qui sont une fraction des longueurs d'onde de la lumière observée, et collectivement, ils peuvent fonctionner comme une lentille. Ils fournissent une manipulation de front d'onde presque arbitraire qui n'est pas possible avec des matériaux naturels à plus grande échelle, mais ils ont une infime fraction de l'épaisseur, et donc seulement une petite quantité de matériel est nécessaire. "C'est fondamentalement différent de l'optique conventionnelle, " il dit.
Le procédé « nous permet d'utiliser des techniques de fabrication très simples, " Gu explique, en évaporant thermiquement le matériau sur le substrat. Ils ont démontré la technique sur des plaquettes de 6 pouces à haut débit, un standard en microfabrication, et « nous envisageons une fabrication à plus grande échelle encore ».
Les appareils transmettent 80 pour cent de la lumière mid-IR avec des efficacités optiques jusqu'à 75 pour cent, représentant une amélioration significative par rapport aux métaoptiques mid-IR existantes, dit Gu. Ils peuvent également être beaucoup plus légers et plus fins que les optiques IR conventionnelles. En utilisant la même méthode, en faisant varier le motif du réseau, les chercheurs peuvent produire arbitrairement différents types de dispositifs optiques, comprenant un simple déflecteur de faisceau, une lentille cylindrique ou sphérique, et les lentilles asphériques complexes. Il a été démontré que les objectifs concentrent la lumière infrarouge moyenne avec la netteté maximale théoriquement possible, connue sous le nom de limite de diffraction.
Ces techniques permettent la création de dispositifs métaoptiques, qui peut manipuler la lumière de manière plus complexe que ce qui peut être réalisé en utilisant des matériaux transparents en vrac conventionnels, dit Gu. Les appareils peuvent également contrôler la polarisation et d'autres propriétés.
La lumière Mid-IR est importante dans de nombreux domaines. Il contient les bandes spectrales caractéristiques de la plupart des types de molécules, et pénètre efficacement dans l'atmosphère, il est donc essentiel de détecter un large éventail de substances telles que la surveillance environnementale, ainsi que pour des applications militaires et industrielles, disent les chercheurs. Étant donné que la plupart des matériaux optiques ordinaires utilisés dans les bandes visible ou proche infrarouge sont totalement opaques à ces longueurs d'onde, les capteurs mid-IR ont été complexes et coûteux à fabriquer. Ainsi, la nouvelle approche pourrait ouvrir des applications potentielles entièrement nouvelles, y compris dans les produits de détection ou d'imagerie des consommateurs, dit Gu.
